高分子科学

聚合物科学（英语：Polymer science），或称高分子科学，是研究聚合物的材料科学的分支，研究对象主要为塑胶及弹性体（橡胶）等聚合物，有时也包括生物高分子，例如蛋白质、脱氧核糖核酸（DNA）等。高分子科学是一门交叉学科，研究者可以来自物理、化学、生物学及工程学等各种不同的领域。

聚乙炔的球棍模型

历史

19世纪

1830年代，法国化学家布拉科诺（英语：Henri Braconnot）、德国化学家尚班等人首次对高分子进行了现代科学意义的研究。他们以天然高分子纤维素为原料，制造出了赛璐珞、醋酸纤维素等半合成材料。 “聚合物”（Polymer）一词由瑞典化学家贝采利乌斯在1833年所提出。

1840年代，德国化学家吕德斯多夫（德语：Friedrich Wilhelm Lüdersdorff）和美国商人海沃德（英语：Nathaniel Hayward）分别独立发现了天然橡胶的硫化反应，即在聚异戊二烯中加入硫后，前者的黏度会大幅增加。随后，美国商人古德伊尔在1844年获得了通过加热橡胶以及向其中添加硫从而使其硫化的专利，英国工程师汉考克（英语：Thomas Hancock (inventor)）也在一年前于英国获得了该项专利。天然橡胶经过硫化处理后可以在保留弹性的同时提高耐热性，使得一些实用产品例如防水物件的生产制造成为可能，从而促进了橡胶产业的发展。硫化橡胶也是第一个成功商品化的高分子研究产物。

1884年，法国工程师夏敦内（英语：Hilaire de Chardonnet）开办了第一家以再生纤维素和嫘萦为原材料的人造纤维工厂。这种纤维被用作丝绸的替代品，但是它非常易燃。^[1]

20世纪上半叶

1907 年，比利时化学家贝克兰发明了第一个化学合成的高分子——热固性酚醛树脂，俗称电木。^[2] 尽管当时聚合物合成领域进步得相当迅速，但直到1922年德国化学家施陶丁格的研究后，人们才了解到这些材料作为高分子聚合物的本质。^[3] 在他之前，聚合物一直被视为小分子关联（英语：association theory）或聚集而形成的产物，源自于1861年苏格兰化学家格雷姆的假设，即认为这些纤维和其他的聚合物本质上都是胶体，由大量小分子与分子之间未知的分子内的力量聚合而成。施陶丁格是第一次提出了聚合物是由原子借由共价键形成长链高分子的假设。在施陶丁格数十年的努力后，他的高分子理论才在科学界广泛的被接受，并且让他在1953年获得了诺贝尔化学奖。

二战及战后

第二次世界大战造就了商业化的聚合物工业的时代。太平洋战争期间，由于丝绸或是橡胶等天然材料的供应在美国受到限制，刺激了聚合物合成的产业的发展，诸如尼龙^[4] 和合成橡胶^[5] 等合成高分子材料的产量得到大幅提升。同时，其他高分子材料如克维拉、特氟龙等的发展继续推动着不断增长的聚合物工业。

工业需求的扩大，进而促使了高分子学术项目以及研究机构的建立。1946年，奥地利裔美国化学家赫尔曼在布鲁克林理工学院（今纽约大学坦登工程学院）建立了“高分子研究所”（Polymer Research Institute），是为美国第一个专注于聚合物的研究机构，日后赫尔曼也被认为是聚合物科学的课程与教学之父。^[6] 1950年，美国化学学会成立了聚合化学分会，并且逐渐成为了拥有近八千名会员的第二大部门。

与高分子科学相关的诺贝尔奖

年份 奖项 获奖者 国家 获奖原因 1953年 化学 赫尔曼·施陶丁格  西德 在高分子化学领域的研究发现 for his discoveries in the field of macromolecular chemistry [7] 1963年 化学 卡尔·齐格勒  西德 在高聚物的化学性质和技术领域中的研究发现 for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers [8] 居里奥·纳塔  意大利 1974年 化学 保罗·弗洛里  美国 高分子物理化学的理论与实验两个方面的基础研究 for his fundamental work, both theoretical and experimental, in the physical chemistry of macromolecules [9] 1991年 物理学 皮埃尔-吉勒·德热纳  法国 发现研究简单系统中有序现象的方法可以被推广到比较复杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中 for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter, in particular to liquid crystals and polymers [10] 2000年 化学 艾伦·黑格  美国 发现和发展了导电聚合物 for their discovery and development of conductive polymers [11] 艾伦·麦克德尔米德  美国  新西兰 白川英树  日本 2002年 化学 约翰·贝内特·芬恩  美国 发展了对生物大分子进行鉴定和结构分析的方法，建立了软解析电离法对生物大分子进行质谱分析 for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules [...] for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules [12] 田中耕一  日本 库尔特·维特里希  瑞士 发展了对生物大分子进行鉴定和结构分析的方法，建立了利用核磁共振光谱来解析溶液中生物大分子三维结构的方法 [...] for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution [12] 2005年 化学 伊夫·肖万  法国 发展了有机合成中的复分解法 for the development of the metathesis method in organic synthesis [13] 罗伯特·格拉布  美国 理查德·施罗克  美国

学科分支

高分子科学包含以下分支:

• 聚合物化学，又称高分子化学，涉及聚合物的合成以及其特性。
• 聚合物物理，涉及高分子材料的物理性质以及其工程应用。
• 聚合物表征（英语：Polymer characterization），涉及对聚合物化学结构与形态的分析，判断不同组成和结构对其物理性质的影响。